瞬態(tài)溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開的瞬態(tài)溫度傳感器屬瞬態(tài)高溫測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成,或可加溫度信號(hào)調(diào)理單元組成，溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成，黑體輻射溫度敏感體以藍(lán)寶石為基底，在藍(lán)寶石基底前表面設(shè)置金屬薄膜，在金屬薄膜上面設(shè)置熱導(dǎo)率高的陶瓷層，在藍(lán)寶石基底后表面設(shè)置窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器，溫度信號(hào)調(diào)理單元由溫度信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，光電變換器和溫度信號(hào)調(diào)理電路采用環(huán)氧樹脂整體固化并可設(shè)置在該溫度傳感器內(nèi)部，該傳感器優(yōu)點(diǎn)有：采用黑體輻射溫度敏感體能夠快速精確的感知溫度信號(hào)并存儲(chǔ)記錄,該傳感器外形尺寸小，可測(cè)量微小空間內(nèi)的瞬態(tài)高溫，受環(huán)境因素影響較小，適用于火炮膛內(nèi)、爆炸場(chǎng)等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境下的瞬態(tài)高溫測(cè)量。
【專利說(shuō)明】瞬態(tài)溫度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明公開了一種瞬態(tài)溫度傳感器屬瞬態(tài)高溫測(cè)試【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及的是一種接觸式的黑體平面輻射瞬態(tài)溫度傳感器。該傳感器可用在火炮膛內(nèi)、爆炸場(chǎng)等高溫、高壓的惡劣環(huán)境下，能快速精確的感知溫度信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的測(cè)溫【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是在兵器科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】中，由于熱電偶的溫度響應(yīng)特性較慢(約Is左右)，使被測(cè)溫度與實(shí)際溫度存在較大誤差和滯后；熱電阻式傳感器所適用的溫度范圍(-200?600°C)不能滿足高溫場(chǎng)合；紅外溫度傳感器容易受到火炮膛內(nèi)，以及爆炸場(chǎng)等惡劣環(huán)境下煙霧的干擾。黑體式藍(lán)寶石光纖測(cè)溫計(jì)根據(jù)黑體輻射理論，利用藍(lán)寶石光纖黑體腔傳感器、錐度光纖、傳導(dǎo)光纖、溫度測(cè)量光電放大器等可以解決高溫測(cè)量的難題，但仍然需要依靠光纖傳輸溫度信息，藍(lán)寶石光纖黑體腔傳感器、錐度光纖、傳導(dǎo)光纖和溫度測(cè)量光電放大器之間連接繁雜，在狹小的測(cè)量空間不便使用，無(wú)法測(cè)量特殊位置瞬態(tài)溫度信息，且高溫、高壓、高沖擊特殊測(cè)量環(huán)境下，黑體式光纖傳感器機(jī)械強(qiáng)度不夠，抗沖擊性能不足，錐度光纖、傳導(dǎo)光纖極易受損，光纖之間信號(hào)耦合效率低，衰減嚴(yán)重，測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)可靠性不高，無(wú)法保證被測(cè)信息的完整、準(zhǔn)確。因此，為了精確測(cè)得瞬態(tài)高溫，迫切需要一種耐高溫、響應(yīng)特性快并且受環(huán)境因素影響較小的測(cè)試裝置。瞬態(tài)高溫的準(zhǔn)確測(cè)量就顯得尤為重要。
[0003]本發(fā)明的瞬態(tài)溫度傳感器，就是為了解決瞬態(tài)高溫測(cè)量的難題而研制的。瞬態(tài)高溫測(cè)量的共同特點(diǎn)是溫度高，變化快，可能伴有高壓或高速流動(dòng)氣流，一次性過(guò)程居多。因此，在測(cè)量條件非常惡劣，技術(shù)要求很高的情況下，該瞬態(tài)溫度傳感器能把輻射式測(cè)溫技術(shù)和接觸式測(cè)溫技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，可以順利地解決惡劣環(huán)境下瞬態(tài)高溫測(cè)量的難題。它能夠克服熱電偶、熱電阻、紅外傳感器、藍(lán)寶石光纖黑體腔傳感器等表現(xiàn)的缺點(diǎn)，在瞬態(tài)高溫測(cè)量領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:向社會(huì)提供這種瞬態(tài)溫度傳感器，該傳感器能夠在高溫、高壓、高沖擊下快速精確的完成對(duì)溫度信號(hào)的測(cè)量。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的:這種瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點(diǎn)在于:該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成，這是該瞬態(tài)溫度傳感器的一種結(jié)構(gòu)；或該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元和溫度信號(hào)調(diào)理單元組成，這是該瞬態(tài)溫度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)。上述的是該瞬態(tài)溫度傳感器的兩個(gè)技術(shù)方案。
[0006]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點(diǎn)還有:所述的溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成。所述的黑體輻射溫度敏感體具有將溫度場(chǎng)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度信號(hào)從熱能一輻射光能一電能信號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)換的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)。所述的圓柱狀金屬外殼如是高強(qiáng)度圓柱狀金屬外殼，高強(qiáng)度金屬如是合金調(diào)質(zhì)鋼、馬氏體時(shí)效鋼等。
[0007]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點(diǎn)還有:所述的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)是藍(lán)寶石a -Al2O3為基底，厚度為1.0~10.0_，在藍(lán)寶石基底前表面設(shè)置金屬薄膜，在金屬薄膜上面設(shè)置熱導(dǎo)率高的陶瓷層，在藍(lán)寶石基底后表面設(shè)置窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器，構(gòu)成整體化黑體輻射溫度敏感體，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)-光信號(hào)-電信號(hào)的連續(xù)轉(zhuǎn)換。所述的藍(lán)寶石基底作黑體輻射溫度敏感體的優(yōu)點(diǎn)是藍(lán)寶石的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度好，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕，在0.3~4.0 μ m波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點(diǎn)高達(dá)2045°C，選擇來(lái)做黑體輻射溫度敏感體的基底和核心件。所述的金屬薄膜、窄帶濾光膜如可采用沉積或?yàn)R射工藝技術(shù)或方法分別生長(zhǎng)或鍍上到藍(lán)寶石基底前后面形成一體的黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)，然后在金屬薄膜上沉積或?yàn)R射熱導(dǎo)率高的陶瓷層，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器。所述的金屬薄膜可采用金屬鑰、或銥、或鉬制造，金屬薄膜厚度為1.0~50.0 μ m，所述的金屬薄膜具有較高的發(fā)射率并隨著溫度的升高而增大，適用于高溫場(chǎng)合。所述的熱導(dǎo)率高的陶瓷層具有熔點(diǎn)高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)高并能夠保護(hù)金屬薄膜，防止金屬薄膜層被高溫氧化，所述的陶瓷層可采用氧化鋯ZrO2、碳化硼B(yǎng)4C、或氮化娃Si3N4制造,厚度為1.0~20.0 μ m。所述的窄帶濾光膜中心波長(zhǎng)為680nm、帶寬為30nm,厚度為10.0~100.0nm,該窄帶濾光膜可采用二氧化鈦TiO2、或二氧化硅SiO2材料制造。所述的光電變換器是高質(zhì)量光電二極管或光電倍增管。
[0008]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點(diǎn)還有:所述的或可加的溫度信號(hào)調(diào)理單元由溫度信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。所述的溫度信號(hào)調(diào)理電路包括有放大電路、濾波電路，以電壓信號(hào)從接口電路輸出。所述的溫度信號(hào)調(diào)理電路可設(shè)置在瞬態(tài)溫度傳感器內(nèi)部。所述的光電變換器信號(hào)輸出端聯(lián)接溫度 信號(hào)調(diào)理單元的輸入端。
[0009]根據(jù)以上所述的瞬態(tài)溫度傳感器，技術(shù)特點(diǎn)還有:所述的光電變換器和溫度信號(hào)調(diào)理電路采用環(huán)氧樹脂整體固化。采用環(huán)氧樹脂將光電變換器和溫度信號(hào)調(diào)理電路等集成電路模塊整體固化，使該傳感器可在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下安全使用。
[0010]本發(fā)明的瞬態(tài)溫度傳感器優(yōu)點(diǎn)有:1.采用一體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)使測(cè)量的溫度信號(hào)實(shí)現(xiàn)從熱能---輻射光能---電能信號(hào)的連續(xù)轉(zhuǎn)換，無(wú)需過(guò)去的傳導(dǎo)光纖、光電放大器等的繁雜連接與復(fù)雜大結(jié)構(gòu)構(gòu)造。2.采用整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)能夠快速精確的感知溫度信號(hào)并產(chǎn)生輻射光信號(hào)。3.外形尺寸小，易于測(cè)量微小空間內(nèi)的瞬態(tài)高溫。4.受環(huán)境因素影響較小，能夠適用于火炮膛內(nèi)、爆炸場(chǎng)等高溫、高壓、高沖擊的惡劣環(huán)境。這種瞬態(tài)溫度傳感器值得采用和推廣。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011]本發(fā)明的說(shuō)明書附圖共有3幅:
圖1是瞬態(tài)溫度傳感器結(jié)構(gòu)方框圖；
圖2是瞬態(tài)溫度傳感器實(shí)體結(jié)構(gòu)圖；
圖3是溫度信號(hào)調(diào)理電路圖。
[0012]在三圖中米用了統(tǒng)一標(biāo)號(hào)，即同一物件在三圖中用同一標(biāo)號(hào)。在三圖中:1.黑體輻射溫度敏感體；2.光電變換器；3.信號(hào)調(diào)理電路；4.信號(hào)輸出接口 ；5.陶瓷層；6.金屬薄膜；7.藍(lán)寶石基底；8.窄帶濾光膜；9.光電變換器與信號(hào)調(diào)理電路連接導(dǎo)線；10.金屬外殼基底；11.信號(hào)輸出導(dǎo)線；12.電源地線；13.電源線；14.金屬殼體；Vin.輸入端；Pl是電位器；R1?R7.均是電阻;U1?U4.均是運(yùn)算放大器；Q1、Q2.均是NPN型三極管；C1?C3.均是電容；Vout.輸出端。
【具體實(shí)施方式】
[0013]本發(fā)明的瞬態(tài)溫度傳感器非限定實(shí)施例如下:
實(shí)施例一.瞬態(tài)溫度傳感器
該例的瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元和溫度信號(hào)調(diào)理單元組成，該例的溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成。所述的黑體輻射溫度敏感體具有將溫度場(chǎng)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度信號(hào)從熱能一輻射光能一電能信號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)換的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)。所述的圓柱狀金屬外殼如是高強(qiáng)度圓柱狀金屬外殼，高強(qiáng)度金屬如是合金調(diào)質(zhì)鋼、馬氏體時(shí)效鋼等。該例的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)是安裝在記錄儀機(jī)械外殼一個(gè)端面上開的窗口內(nèi)的藍(lán)寶石α-Al2O3為基底，厚度選擇1mm、或5 mm、或IOmm,在藍(lán)寶石基底前表面濺射金屬薄膜，厚度選擇I μ m、或10 μ m、或20 μ m、或30 μ m、或40 μ m、或50 μ m，在金屬薄膜上面濺射熱導(dǎo)率高的陶瓷層，厚度選擇I μ m、或5 μ m、或10 μ m、或20 μ m,在藍(lán)寶石基底后表面采用磁控濺射工藝鍍上窄帶濾光膜，厚度選擇10nm、或20nm、或30nm、或40nm、或50nm、或60nm、或70nm、或80nm、或90nm、或IOOnm,在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器，構(gòu)成整體化黑體輻射溫度敏感體。所述的藍(lán)寶石基底作黑體輻射溫度敏感體的優(yōu)點(diǎn)是藍(lán)寶石的物理化學(xué)性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度好，本質(zhì)絕緣，耐腐蝕，在0.3?
4.0 μ m波段范圍內(nèi)透光性很好，熔點(diǎn)高達(dá)2045°C，黑體輻射溫度敏感體的藍(lán)寶石將溫度場(chǎng)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度完成從熱能到輻射光能的信號(hào)轉(zhuǎn)換。所述的金屬薄膜具有較高的發(fā)射率并隨著溫度的升高而增大，適用于高溫場(chǎng)合，所述的金屬薄膜可采用金屬鑰制造。所述的熱導(dǎo)率高的陶瓷層具有熔點(diǎn)高，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)高并能夠保護(hù)金屬薄膜，防止金屬薄膜層被高溫氧化，所述的陶瓷層可采用氧化鋯ZrO2制造。所述的窄帶濾光膜可選用中心波長(zhǎng)為680nm、帶寬為30nm,所述的窄帶濾光膜可采用二氧化鈦TiO2材料制造。所述的光電變換器為高質(zhì)量光電二極管或光電倍增管，用來(lái)完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。該例的光電變換器信號(hào)輸出端聯(lián)接溫度信號(hào)調(diào)理單元的輸入端。該例的溫度信號(hào)調(diào)理單元由溫度信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成。所述的溫度信號(hào)調(diào)理電路包括有放大電路、濾波電路，以電壓信號(hào)從接口電路輸出。該例的溫度信號(hào)調(diào)理電路可設(shè)置在瞬態(tài)溫度傳感器內(nèi)部。這種瞬態(tài)溫度傳感器具體結(jié)構(gòu)由圖1?圖3聯(lián)合示出，圖1是瞬態(tài)溫度傳感器結(jié)構(gòu)方框圖，圖1中:I是黑體輻射溫度敏感體，2是光電變換器，3是信號(hào)調(diào)理電路，4是信號(hào)輸出接口。圖2是該例的瞬態(tài)溫度傳感器實(shí)體結(jié)構(gòu)圖，圖2中:2是光電變換器，3是信號(hào)調(diào)理電路，5是陶瓷薄膜，6是金屬薄膜，7是藍(lán)寶石基底，8是窄帶濾光膜，9是光電變換器與信號(hào)調(diào)理電路連接導(dǎo)線，10是金屬外殼基底，11是信號(hào)輸出導(dǎo)線，12是電源地線，13是電源線，14是金屬殼體。圖3是溫度信號(hào)調(diào)理電路圖，圖3中:Vin是光電變換器的信號(hào)輸出端，Pl是電位器，RU R2、R3、R4、R5、R6、R7是電阻，U1、U2、U3、U4是運(yùn)算放大器，Q1、Q2是NPN型三極管，C1、C2、C3是電容，Vout是溫度信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)輸出端。該例的光電變換器2和溫度信號(hào)調(diào)理電路3采用環(huán)氧樹脂整體固化。采用環(huán)氧樹脂將光電變換器2和溫度信號(hào)調(diào)理電路3等集成電路模塊整體固化，固化后可設(shè)置在瞬態(tài)溫度傳感器內(nèi)部，使該傳感器可在高溫、高壓的惡劣環(huán)境下安全使用。
[0014]實(shí)施例二.瞬態(tài)溫度傳感器
該例的瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成，這是瞬態(tài)溫度傳感器的另一種結(jié)構(gòu)，更簡(jiǎn)單一些，大體結(jié)構(gòu)可由圖2示出，該例的瞬態(tài)溫度傳感器與實(shí)施例一的瞬態(tài)溫度傳感器不同點(diǎn)有:1.該例的瞬態(tài)溫度傳感器沒加有溫度信號(hào)調(diào)理單元。2.該例在藍(lán)寶石基底前表面沉積金屬薄膜，所述的金屬薄膜可采用金屬銥、或鉬制造；在金屬薄膜上面沉積熱導(dǎo)率高的陶瓷層，所述的陶瓷層可采用碳化硼B(yǎng)4C、或氮化硅Si3N4制造；在藍(lán)寶石基底后表面采用脈沖激光沉積工藝鍍上窄帶濾光膜，所述的窄帶濾光膜可采用二氧化硅SiO2制造。該例的瞬態(tài)溫度傳感器其余未述的，全同于實(shí)施例一中所述的，不再重述。
【權(quán)利要求】
1.一種瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:該瞬態(tài)溫度傳感器由溫度敏感單元構(gòu)成，或可加溫度信號(hào)調(diào)理單元組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:所述的溫度敏感單元由黑體輻射溫度敏感體和圓柱狀金屬外殼構(gòu)成，所述的黑體輻射溫度敏感體具有將溫度場(chǎng)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度信號(hào)從熱能一輻射光能一電能信號(hào)連續(xù)轉(zhuǎn)換的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:所述的整體化黑體輻射溫度敏感體結(jié)構(gòu)是藍(lán)寶石為基底，在藍(lán)寶石基底前表面設(shè)置金屬薄膜，在金屬薄膜上面設(shè)置熱導(dǎo)率高的陶瓷層，在藍(lán)寶石基底后表面設(shè)置窄帶濾光膜，在窄帶濾光膜后面設(shè)置光電變換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)溫度傳感器，特征在于:所述的或可加的溫度信號(hào)調(diào)理單元由溫度信號(hào)調(diào)理電路構(gòu)成，黑體輻射溫度敏感體的輸出端聯(lián)接溫度信號(hào)調(diào)理電路的輸入端。
【文檔編號(hào)】G01K11/20GK103776558SQ201310659087
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】尤文斌, 丁永紅, 馬鐵華, 張瑜, 李新娥, 祖靜, 裴東興, 范錦彪, 沈大偉, 張紅艷 申請(qǐng)人:中北大學(xué)